第一作者：Zibei Zhang

通讯作者：Weiwei Gao、Hao Bai

通讯单位：浙江大学

气凝胶是隔热防护领域的明星材料，但陶瓷和碳基气凝胶普遍脆如饼干，聚合物气凝胶遇火又容易结构塌陷、瞬间丧失隔热能力——很难在同一块材料里同时满足"日常隔热、保温"和"火灾极端防护"两套需求。

本研究用连续硅氧烷基体 + 原位二氧化硅网络构建杂化硅胶气凝胶：先通过 D4 细乳液聚合 + TEOS 水解缩合，在冷冻组装中形成有机-无机杂化孔壁；平时高孔隙、超弹性、能日间辐射降温；火烧时孔壁发生原位纳米镂空陶化（in-situ nano-hollowing ceramization），硅胶相降解氧化留下 ~100 nm 纳米孔，反而把导热系数从 28.6 降到 22.8 mW/(m·K)。10 mm 薄板在 ~1300°C 火焰下背面 25 min 仍低于 120°C，实现 7.7°C 日间辐射降温。一套材料，实现"保温、回弹、防火、制冷"，为零碳建筑和电动车热管理提供了一个极具想象力的平台。

1. 硅胶 + 硅网杂化：高孔隙、超弹性、不怕冷热

用 DBSA 做乳化剂和酸催化剂，在 D4（八甲基环四硅氧烷）细乳液界面引发阳离子开环聚合，得到羟基封端的高分子量硅胶链（Mn ≈ 346 kDa）；再引入 TEOS 在水相水解缩合形成二氧化硅溶胶，硅胶链末端的硅醇与二氧化硅物种发生界面缩合共价耦合（²⁹Si CP/MAS NMR 证实 D-O-Q 键形成），使两相紧密结合。冷冻过程中冰晶挤压驱动乳液滴与硅溶胶共组装，硅胶滴融合为连续相，二氧化硅则沿液滴界面互联成骨架——形成"连续硅胶基质被二氧化硅网络增强"的杂化孔壁。

这种结构让气凝胶密度可低至 0.012 g/cm³，孔隙率最高约 99%。力学性能上，它可从 95% 压缩完全恢复，还能承受拉伸、扭转、卷曲等复杂形变；在 -150°C 到 250°C 宽温域内保持结构完整与超弹性，TG-DSC 证实热稳定性达 350°C（Si-O 键能高）。室温导热系数仅 28.6 ± 1.2 mW/(m·K)，优于商用聚氨酯泡沫。

图1. 杂化硅胶气凝胶的乳液组装、杂化孔壁结构及火焰诱导纳米镂空陶化示意图。

2. 火烧不塌反更隔热：纳米镂空陶化形成多孔陶瓷铠甲

普通硅胶火烧后只留下疏松、开裂的二氧化硅灰层，隔热迅速失效。本工作的杂化架构则不同：火焰下二氧化硅网络充当稳定脚手架维持宏观形状，硅胶基体发生热降解和氧化，质量与体积损失在原孔壁内留下大量 ~100 nm 纳米孔——即原位纳米镂空。这些纳米孔尺寸接近空气分子平均自由程（~70 nm），通过克努森效应抑制气相传导，同时减少固相传导，使陶化后导热系数不升反降（28.6 → 22.8 mW/(m·K)）。

同条件下商用硅胶气凝胶 5 min 就到 ~270°C 且严重开裂，温差约 150°C。烧后样品火焰面完全陶化（FTIR 显示 C-H 和 Si-CH₃ 带消失），内部仍保留硅胶特征，形成空间梯度陶瓷盾。花束测试也直观展示了这一点：放在杂化气凝胶上的花在火焰下完好无损，而放在商用硅胶或 PU 泡沫上的花迅速焦枯。

图2. 火焰诱导纳米镂空陶化过程、陶化后孔壁形貌及 1300°C 火焰防护性能对比。

3. 白天还能制冷：太阳反射 95.4%，大气窗口发射 96.4%

除了极端防护，这块气凝胶在日常环境下还能实现辐射制冷。Si-O-Si 骨架在 8–13 μm 大气透明窗口有天然强振动吸收/发射，加上超高孔隙率（~99%）提供的多级光散射，使其具备太阳反射率 95.4% 和 大气窗口发射率 96.4% 的优异光谱选择性——与纯 PDMS 多孔海绵相当，说明二氧化硅网络主要起结构稳定作用，不干扰辐射制冷性能。

杭州屋顶实测（2026 年 7 月 24 日晴空）验证：气凝胶表面温度持续低于环境温度，正午最大降温 7.7°C。进一步用小屋模型对比：盖了硅胶气凝胶的 cabin 内部温度比空白对照低 7.1°C，表现优于白色涂料（高反射但低发射）和铝箔覆面硅胶（高隔热但低红外发射），证明高太阳反射 + 高红外发射 + 低导热三者协同才是全天候被动制冷的最优解。此外材料本身疏水、抗 UV/臭氧、防火，环境耐久性远超传统制冷涂层。

图3. 硅胶气凝胶的太阳辐射/中红外光谱、户外日间辐射降温曲线及建筑小屋制冷对比。

把它放进零碳建筑外墙/屋顶、电动车电池热失控防护、极端环境防护服里，想象空间很大。后续真要落地，重点不在实验室性能，而在连续化冻干/模具成型、大尺寸不开裂、陶化后粉尘处理与复用、成本控制——但这套"烧完反而更会隔热"的自适应思路，已经把硅胶气凝胶从"软质保温材料"推到了"智能热防护平台"的新位置